Все работы в Донецком бассейне постоянно находились в поле внимания Ф. Н. Чернышева, включая планирование и постоянный контроль за их проведением. Как руководитель этих работ он был незаменим. Сохранилось письмо А. П. Карпинского в Горный департамент, в котором он так характеризует деятельность Ф. Н. Чернышева: «Донецкие работы, от которых Чернышев упорно отказывался и которые предназначались другому лицу, приняты им на себя по моему настоянию, так как между геологами никто лучше него не знаком с русскими каменноугольными отложениями. И действительно, в два лета он с такой детальностью разобрался в донецких осадках, имеющей прямое отношение к практическим задачам исследования, к какой даже не приближались другие геологи, например профессор Гуров, работающий в донецком бассейне 25 лет... Наибольшая важность участия Чернышева в донецких работах в настоящее время заключается в общем руководстве, контроле и личной съемке наиболее запутанных частей бассейна, причем указанное руководство не ограничивается работами наиболее надежных участников съемок — геологов, но касается и занятий топографов и маркшейдеров (всего работает в Екатеринославской губернии и Области Войска Донского 14 человек), что в сумме составляет весьма порядочную работу, мало заметную со стороны» [29].
Ф. Н. Чернышев принимал в эти годы и значительное личное участие в работах. Еще до того, как он был назначен руководителем всех работ Геологического комитета в Донецком бассейне, он обработал фауну, собранную В. А. Домгером, и на ее основе впервые определил наличие в Донецком бассейне девонских отложений. В 1892—1893 гг. Ф. Н. Чернышев изучал островные выходы каменноугольных отложений на западной окраине Донецкого бассейна с целью увязать первые результаты работ Н. И. Лебедева и Л. И. Лутугина. «Исследование таких островов,— отмечает Е. О. Новик,— представляло особый интерес, так как давало возможность выяснить, насколько схема подразделений донецких каменноугольных отложений, составленная на основании изучения главной площади распространения карбона, может быть использована для стратификации каменноугольных отложений, непосредственная связь которых с главным полем не может быть прослежена из-за мощных покрывающих пород. Эти исследования должны были также доказать, в какой мере удерживается постоянство известняков как маркирующих горизонтов и сохраняется ли последовательность в смене фауны в вертикальном направлении»[30]. В частности, Ф. Н. Чернышеву удалось сопоставить в этих выступах многие горизонты с теми, которые были выделены Л. И. Лутугиным в северном районе[31].
Руководящей стала идея Ф. Н. Чернышева о том, что установленная схема подразделений каменноугольных осадков в Донецком бассейне позволит дать точную синонимику всех пластов угля, разрабатываемых в разных районах бассейна под различными названиями, а также определить изменение качества углей в горизонтальном направлении пластов[32]. Л. И. Лутугин, развивая эту идею, систематически проводил исследования качества углей и изменения их свойств и установил вполне определенные закономерности, что имело большое практическое значение.
Много внимания уделял Ф. Н. Чернышев изучению верхнепалеозойских отложений, особенно при геологической съемке в 1894 г. юго-восточной части Бахмуто- Славянской котловины, где он работал вместе с Н. Н. Яковлевым. Используя свой опыт по расчленению пермских отложений на Урале и Тимане и знакомство по зарубежной литературе с некоторыми типовыми разрезами, а также опираясь на анализ собранной фауны, он пришел к выводу, что нижняя песчаниковая толща, согласно залеганию на верхнекаменноугольных отложениях в виде непрерывной серии, соответствует в основном пермо-карбону Приуралья и Тимана, верхняя же толща известняков и доломитов — нижней красноцветной толще Востока и Севера Европейской России[33]. Впоследствии Н. Н. Яковлев, работавший в Донбассе с 1893 по 1897 г., значительно развил и уточнил эти представления.